УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛА И/ИЛИ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ИСПЫТУЕМОГО ОБЪЕКТА, СОДЕРЖАЩЕГО ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЕ И ФЕРРОМАГНИТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ Российский патент 2010 года по МПК G01N29/04 

Область техники

Изобретение относится к устройству, а также к способу контроля материала испытуемого объекта, содержащего по меньшей мере электропроводящие и ферромагнитные компоненты и располагающего по меньшей мере одной технической поверхностью посредством по меньшей мере одного ультразвукового преобразователя (EMUS), содержащего постоянный магнит или электромагнит по меньшей мере с двумя магнитными полюсами различной магнитной полярности, обращенными в сторону технической поверхности, и при наличии по меньшей мере одной катушки вихревых токов установленной в проекции на техническую поверхность между обоими магнитными полюсами в косвенной или непосредственной связи с технической поверхностью.

Уровень техники

Электромагнитные ультразвуковые преобразователи используются известным способом в целях неразрушающего контроля материалов и для обмера испытуемых объектов, состоящих из электропроводящих материалов и в дополнение к этому предпочтительно обладающих ферромагнитными свойствами.

В принципе различают два типа электромагнитных ультразвуковых преобразователей, с одной стороны, это те преобразователи, с помощью которых возможно формирование так называемых горизонтально поляризованных волн сдвига, способных распространяться в испытуемом образце преимущественно параллельно поверхности ввода, а, с другой стороны, это ультразвуковые преобразователи для формирования так называемых свободно распространяющихся в опытном образце ультразвуковых волн, которые распространяются в образце преимущественно перпендикулярно поверхности ввода. В обоих случаях возбуждение ультразвуковых волн внутри испытуемого образца сводится к явлению магнитострикции, а также сил Лоренца внутри материала испытуемого образца, которые возникают в результате наличия в значительной мере постоянного во времени магнитного поля, на которое накладывается переменное электромагнитное поле, создаваемое переменным электрическим током.

Типичная установка для возбуждения ультразвуковых волн по так называемому принципу электромагнитного ультразвукового преобразователя (EMUS) представлена на фиг.5а, b. Обычные преобразователи 3 имеют постоянный магнит 1, а также катушку 2 вихревых токов, которые для совместного использования выполнены в виде единого блока. Типичным является выполнение катушки 2 вихревых токов в виде прямоугольной или спиральной плоской катушки, устанавливаемой с одной стороны магнитного полюса постоянного магнита 1, так что через катушку 2 проходит поле постоянного магнита 1 в перпендикулярном направлении. При установке вышеупомянутого электромагнитного ультразвукового преобразователя 3 на электропроводящий ферромагнитный испытуемый объект 4 на поле постоянного магнита внутри испытуемого образца 4 накладывается поле вихревых токов, создаваемое катушкой 2 вихревых токов, в результате чего, с одной стороны, из-за наложения магнитных составляющих поля вихревых токов и поля постоянного магнита, пронизывающего поверхность испытуемого объекта 4 в перпендикулярном направлении, возникают магнитострикционные эффекты, а, с другой, с помощью наводимых в испытуемом объекте 4 вихревых токов формируются силы Лоренца, благодаря чему ударные волны, направленные нормально поверхности испытуемого объекта 4, формируются так же, как и радиально поляризованные волны сдвига, которые способны распространяться внутри испытуемого объекта 4 в виде ультразвуковых волн. Оба вида волн, то есть ультразвуковые волны, распространяющиеся нормально поверхности испытуемого объекта, а также ультразвуковые волны, распространяющиеся радиально поляризованными волнами сдвига вдоль поверхности испытуемого объекта, в соответствии с уровнем техники пригодны как для обнаружения дефектов, как например, трещин внутри испытуемого объекта 4, так и для измерения толщины его стенок.

Поскольку используемые катушки вихревых токов весьма чувствительны к внешним механическим воздействиям, то они должны быть защищены от механического износа. Это прежде всего осложняется тем, что у ферромагнитных испытуемых объектов катушка вихревых токов, находящаяся между постоянным магнитом и испытуемым объектом, под воздействием притяжения со стороны магнитных сил плотно прижимается к поверхности испытуемого объекта и потому подвергается износу вследствие истирания.

В этой связи из документа DE 3511076 A1 известна вставка для электромагнитных испытаний стенок стальных трубопроводов, с помощью которой, например, в рамках испытаний без разрушения образца могут быть обследованы и обнаружены повреждения стенок трубопроводов в результате коррозии. Вставка, подробно раскрытая в патентном описании, оборудована электромагнитами, равномерно распределенными по ее окружности, каждый из которых имеет по две измерительные головки, расположенные на одной оси, ярмо, соединяющее измерительные головки, и намагничивающую катушку на этих измерительных головках. При этом поле каждого электромагнита наводится параллельно оси трубы. Для ультразвукового измерения по меньшей мере на одном из полюсов или на одной из магнитных головок устанавливается катушка вихревых токов, на которую подаются мощные импульсы с крутыми фронтами. У трубопроводов, выполненных в виде магистральных трубопроводов, на месте швов двух соседних звеньев трубопровода предусмотрены кольцевые швы, которые при переходе через них вышеупомянутой вставки в ходе постоянного контроля подвергают электромагнитный преобразователь ударной нагрузке, к тому же заметно возрастающей за счет магнитных сил, действующих между электромагнитом и стенкой трубопровода. Как вышеописанный износ вследствие истирания, так и дополнительная ударная нагрузка на электромагнитный ультразвуковой преобразователь, в частности на катушку вихревых токов, сокращают срок службы электромагнитного ультразвукового преобразователя.

Правда, существует возможность уменьшить износ вследствие истирания за счет уменьшения магнитных сил притяжения, действующих между электромагнитным ультразвуковым преобразователем и обследуемым испытуемым объектом, например, путем уменьшения магнитной индукции, однако эта мера одновременно привела бы и к заметному падению эффективности работы электромагнитного ультразвукового преобразователя, т.е. плотность силовых линий, индуцируемых для формирования ультразвука, уменьшается в такой же пропорции, в результате чего чувствительность индикации при приеме рассеянных или отраженных ультразвуковых волн также ослабевает.

Из документа ЕР 0781994 А2 известен электромагнитный ультразвуковой преобразователь, в котором для генерации и приема волн внутри электропроводного, ферромагнитного испытуемого образца или же для их передачи за пределы последнего предусмотрены две отдельные катушки вихревых токов, которые вместе предпочтительно защищены с помощью изолирующего слоя. Из примера выполнения изобретения согласно фиг.17 a, b в указанном документе известен электромагнитный ультразвуковой преобразователь, в котором для создания поля постоянного магнита используется U-образный постоянный магнит, у которого оба магнитных полюса концами обращены в сторону испытуемого образца. На участке поверхности испытуемого объекта, заключенном между стержнями постоянного магнита, выполненного в виде U-образного магнита, предусмотрены соответствующие катушки вихревых токов, выполненные в виде меандровых катушек, служащие как для формирования ультразвука, так и для его приема. Вследствие меандровой конфигурации проводов, направления токов в двух непосредственно прилегающих друг к другу секциях проводов противоположны. Это ведет к созданию внутри испытуемого образца областей вихревых токов, непосредственно прилегающих друг к другу, которые при наложении на них созданного вблизи поверхности поля постоянного магнита, направленного параллельно испытуемому объекту, формируют силы Лоренца с диаметрально противоположными направлениями силовых линий, которые, опять же, генерируют ударные волны с образованием горизонтально поляризованных волн сдвига, распространяющихся вдоль поверхности испытуемого образца в виде ультразвуковых волн. Такие ультразвуковые волны, распространяющиеся параллельно поверхности испытуемого образца, вполне пригодны для контроля материала вблизи поверхности, однако они не годятся для измерения толщины испытуемых образцов.

В основу изобретения положена задача усовершенствовать устройство, а также способ контроля материала испытуемого объекта, содержащего по меньшей мере электропроводящие и ферромагнитные компоненты, путем электромагнитного возбуждения ультразвука с использованием электромагнитного ультразвукового преобразователя с тем, чтобы, с одной стороны, обеспечивалось такое положение, чтобы катушка вихревых токов, необходимая для наведения вихревых токов, не подвергалась никакому износу вследствие истирания, а, если бы и подвергалась, то лишь в незначительной степени, но, с другой стороны, чтобы существовала возможность проведения обследования испытуемого образца по всей его толщине, а также измерения толщины его стенок. В частности, принимаемые меры должны обеспечить обследование, а также измерение геометрии трубчатых, а также дисковых испытуемых объектов.

Задача, положенная в основу изобретения, решается в соответствии с п.1 формулы изобретения. Способ согласно изобретению для контроля материала является предметом п.16 формулы изобретения. Признаки, целесообразно развивающие идею изобретения, раскрыты в зависимых пунктах, а также в описании, в частности, со ссылкой на примеры осуществления изобретения.

Устройство согласно изобретению для контроля материала испытуемого объекта, содержащего по меньшей мере электропроводящие и ферромагнитные компоненты и располагающего по меньшей мере одной технической поверхностью, содержащее по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь (EMUS) с постоянным магнитом или электромагнитом, по меньшей мере с двумя магнитными полюсами различной магнитной полярности, обращенными в сторону технической поверхности, и предусматривающим наличие по меньшей мере одной катушки вихревых токов, установленной в проекции на техническую поверхность между обоими магнитными полюсами в косвенной или непосредственной связи с технической поверхностью, согласно изобретению выполнено таким образом, что по меньшей мере одна катушка вихревых токов выполнена и установлена так, чтобы при подаче на катушку вихревых токов переменного тока внутри испытуемого объекта возникали свободные ультразвуковые волны, в основном, распространяющиеся перпендикулярно технической поверхности последнего.

Предложенное устройство обеспечивает установку по меньшей мере одной катушки вихревых токов относительно технической поверхности испытуемого объекта, независимо от сил притяжения, действующих между постоянным магнитом или электромагнитом и испытуемым объектом, так чтобы она не подвергалась никакому износу вследствие истирания, который происходил бы в результате прижима катушки вихревых токов, обусловленного воздействием магнитных сил, к технической поверхности обследуемого испытуемого объекта. Более того, катушка вихревых токов относительно технической поверхности испытуемого объекта установлена в таком месте, через которое проходит тангенциальное магнитное поле, создаваемое магнитными полюсами, расположенными вдоль технической поверхности испытуемого объекта с определенными интервалами, то есть магнитные силовые линии, наводимые постоянным магнитом или электромагнитом внутри испытуемого объекта, располагаются в значительной степени параллельно технической поверхности, на которой или относительно которой установлена катушка вихревых токов. В отличие от известных на сегодняшний день электромагнитных ультразвуковых преобразователей, у которых катушка вихревых токов, обращенная в сторону испытуемого объекта, установлена непосредственно на поверхности магнитного полюса, у устройства в соответствии с изобретением между катушкой вихревых токов и обследуемым испытуемым объектом не действуют никакие силы притяжения, наведенных внешними магнитными полями.

В зависимости от варианта осуществления изобретения по меньшей мере одну катушку вихревых токов можно жестко соединить с постоянным магнитом или электромагнитом с помощью соответствующего держателя. Такого рода жесткая пространственная связь между постоянным магнитом или электромагнитом и по меньшей мере одной катушкой вихревых токов обеспечивает единообразное и простое использование электромагнитного ультразвукового преобразователя, выполненного в соответствии с изобретением. Аналогичным образом независимое использование постоянного магнита или электромагнита и по меньшей мере одной катушки вихревых токов может открыть предпочтительные возможности применения, например, в тех случаях, когда постоянный магнит или электромагнит располагается по одну сторону от обследуемого испытуемого объекта, а по меньшей мере одна катушка вихревых токов устанавливается на противоположной по отношению к постоянному магниту или электромагниту стороне испытуемого объекта таким образом, чтобы по меньшей мере одна катушка вихревых токов в проекции на техническую поверхность последнего постоянно оказывалась между обоими магнитными полюсами постоянного магнита или электромагнита.

Во всех возможных вариантах осуществления изобретения необходимо следить за тем, чтобы тангенциальное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом или электромагнитом внутри испытуемого объекта в направлении вдоль его технической поверхности, складывалось или взаимодействовало с полем вихревых токов, наводимых внутри испытуемого объекта катушкой вихревых токов, на которую подается переменный ток. В частности, в случае вышеприведенной установки постоянного магнита или электромагнита, а также по меньшей мере одной катушки вихревых токов на соответствующих противоположных по отношению к испытуемому объекту поверхностях, следует добиваться того, чтобы тангенциальное магнитное поле, наведенное в испытуемом объекте, проникало достаточно глубоко, т.е. действовало бы и на том участке испытуемого объекта, где действует поле вихревых токов, наведенное катушкой вихревых токов.

Для формирования свободных ультразвуковых волн, распространяющихся внутри испытуемого объекта, в основном, перпендикулярно его технической поверхности, предусмотрены специальные катушки вихревых токов, которые должны быть соответствующим образом ориентированы относительно тангенциального магнитного поля. Так, например, с помощью по меньшей мере одной катушки вихревых токов внутри испытуемого объекта, локально на участке тангенциального магнитного поля необходимо создать пространственную область, в которой вихревой ток наводится с повышенной плотностью, а также в одинаковом направлении. Иначе говоря, по меньшей мере одну катушку вихревых токов следует выполнить и установить по отношению к испытуемому объекту, через который проходит тангенциальное магнитное поле, таким образом, чтобы внутри испытуемого объекта образовывалась пространственно ограниченная область, в которой создавалось бы результирующее поле вихревых токов с повышенной относительно окружающих пространственных областей плотностью вихревых токов, а также с одинаковым направлением этих токов. Одновременно направление вихревых токов, установленное в испытуемом объекте, в области повышенной плотности вихревых токов необходимо ориентировать перпендикулярно направлению магнитных силовых линий тангенциального магнитного поля.

В предпочтительной катушке вихревых токов, отвечающей вышеприведенным требованиям, предусматривается такое размещение электрических проводов, по которым протекает переменный ток, при котором по меньшей мере в каждой области или на каждом участке имелось бы минимум по два, предпочтительно, множество, в основном, параллельных друг другу электрических проводов, по которым переменный ток протекал бы в одинаковом направлении. С целью воспрепятствования тому, чтобы, как в случае прямоугольной катушки, в которой ток на расположенных друг против друга сторонах катушки протекает в противоположных направлениях и в которой они благодаря обычно компактной намотке пространственно плотно прилегают друг к другу, в то время как ультразвуковые волны, возникающие в результате магнитострикции под противолежащими сторонами катушки, из-за их смещения по фазе на 180° накладываются друг на друга разрушительным образом, для устройства согласно изобретению необходимо сознательно избегать выбора таких конфигураций катушек вихревых токов, при которых внутри испытуемого объекта имеют место явления взаимной компенсации ударных волн.

В последующих примерах выполнения изобретения описываются два предпочтительных варианта его осуществления для такого рода конфигурации катушек вихревых токов, из которых один предусматривает трехмерную катушку вихревых токов, а другой предусматривает двухмерную конфигурацию проводов, которая имеет по меньшей мере две секции проводов, выполненные наподобие соответствующей прямоугольной катушки, причем секции проводов располагаются рядом друг с другом таким образом, чтобы обе прямоугольные катушки были расположены рядом с соответствующим участком прямоугольных катушек, через который проходит переменный ток того же направления.

Устройство в соответствии с изобретением способно генерировать свободные ультразвуковые волны, в основном, распространяющиеся перпендикулярно технической поверхности, расположенной напротив электромагнитного ультразвукового преобразователя. Ультразвуковая связь в зависимости от вида испытуемого объекта и его магнитного насыщения основывается на магнитострикционном эффекте или на силах Лоренца. Оба механизма ультразвуковой связи будут подробно описаны ниже со ссылкой на чертежи.

В основу устройства в соответствии с изобретением положен способ контроля материала испытуемого объекта, содержащего по меньшей мере электропроводящие и ферромагнитные компоненты, путем формирования электромагнитных ультразвуковых волн внутри испытуемого объекта, имеющего техническую поверхность, при котором, в частности, предусмотрены следующие этапы. Сначала внутри испытуемого объекта необходимо создать магнитное поле, в котором линии магнитного поля по меньшей мере частично располагаются параллельно его технической поверхности и формируют так называемое тангенциальное магнитное поле. Кроме того, в целях наведения переменного магнитного поля в испытуемом объекте относительно его технической поверхности предусматривается катушка вихревых токов, снабжаемая переменным током, причем на переменное поле, наведенное катушкой вихревых токов, накладывается тангенциальное магнитное поле. При этом необходимо сориентировать оба магнитных поля таким образом, чтобы их магнитные силовые линии располагались параллельно друг другу, но необязательно были направлены в одну сторону. Это приводит к тому, что в зависимости от ориентации периодически изменяющегося направления магнитных силовых линий переменного поля внутри области, в которой оба магнитных поля накладываются друг на друга, возникает результирующее магнитное поле, образующееся как результат сложения или вычитания обеих напряженностей магнитных полей. В результате магнитострикционного эффекта периодически изменяющегося результирующего магнитного поля внутри испытуемого объекта наводятся ударные волны, генерирующие свободные ультразвуковые волны, распространяющиеся внутри испытуемого объекта перпендикулярно его технической поверхности. Наведенные в испытуемом объекте вихревые токи, действующие на участке тангенциального магнитного поля, вызывают силы Лоренца, также генерирующие ударные волны для образования свободных ультразвуковых волн, направление распространения которых сориентировано перпендикулярно технической поверхности испытуемого объекта. Оба эффекта в вышеописанной ситуации с тангенциальным магнитным полем, наведенным постоянным магнитом или электромагнитом, и с вихревыми токами, наведенными с помощью катушки вихревых токов, способствуют формированию ультразвуковых волн, благодаря которым испытуемый объект может быть обследован и проконтролирован по всей его толщине.

Поскольку возбуждение переменного тока в катушке вихревых токов предпочтительно носит импульсный характер, в рамках измерения времени распространения наряду с испытанием материала можно измерить также толщину стенок испытуемого объекта. Для этого подсчитывается время прохождения ультразвуковых волн с момента их формирования до момента их приема, причем сформированные ультразвуковые волны отражаются граничной поверхностью или поверхностью испытуемого объекта.

Таким образом, устройство в соответствии с изобретением предпочтительно пригодно для измерения толщины трубчатых испытуемых объектов, как например магистральных трубопроводов, а также дисковых испытуемых объектов, как например железнодорожных колес.

В одном предпочтительном примере выполнения изобретения устройство в соответствии с изобретением является неотъемлемой составной частью вставки, которая с помощью соответствующего привода продвигается вдоль трубопровода, причем трубопровод проверяется на наличие дефектов материала, в частности измеряется толщина его стенок. Дальнейшие подробности содержатся в описании со ссылкой на другие примеры осуществления изобретения.

Краткое описание изобретения

Изобретение подробно описывается ниже без ограничения общей идеи изобретения на основе примеров выполнения со ссылкой на чертежи,

где на фиг.1а-f показаны различные конфигурации электромагнитного ультразвукового преобразователя, выполненного в соответствии с изобретением, с испытуемым объектом;

на фиг.2а, b - принцип возбуждения ультразвука с помощью магнитострикционного эффекта, а также сил Лоренца;

на фиг.3 - схематически вид сверху катушки с вихревыми токами согласно изобретению;

на фиг.4a, b - схемы альтернативно выполненной катушки вихревых токов;

на фиг.5a, b - электромагнитный ультразвуковой преобразователь в соответствии с уровнем техники;

на фиг.6а-с - принципиальные схемы управления множеством катушек вихревых токов по принципу «плоского массива» „Faced-Array“;

на фиг.7 и 9 - альтернативные примеры осуществления изобретения при использовании электромагнитного ультразвукового преобразователя для контроля трубопровода.

На фиг.1а-f представлены различные возможности компоновки и выполнения устройства согласно изобретению. Однако для обследования материала, в частности для измерения толщины испытуемого объекта 4, состоящего из электропроводящего и ферромагнитного материалов, предусмотрен U-образный постоянный магнит 1, охватывающий испытуемый объект 4 наподобие ярма и который с торцевой стороны своими магнитными полюсами N,S устанавливается непосредственно на технической поверхности 5 испытуемого объекта 4. Как это, в частности, видно из дальнейшего описания со ссылкой на фиг.2, постоянный магнит на участке между магнитными полюсами N,S создает внутри испытуемого объекта 4 тангенциальное магнитное поле, которое в случае постоянного магнита 1 является постоянным во времени. Можно также использовать вместо постоянного магнита 1, изображенного на фиг.1, электромагнит той же или аналогичной конфигурации, который способен поддерживать в испытуемом объекте 4 тангенциальное магнитное поле, изменяющееся во времени. В этом случае необходимо следить за тем, чтобы частота переменного тока, необходимая для формирования тангенциального магнитного поля, была гораздо ниже частоты переменного тока, которым запитывается по меньшей мере одна катушка 2 вихревых токов, установленная на технической поверхности 5 испытуемого объекта 4 в зоне действия тангенциального магнитного поля. В дальнейшем для простоты предполагается, что магнит 1, как указано выше, выполнен как постоянный магнит.

При подаче переменного тока в катушку 2 на участке испытуемого объекта 4 наводится поле вихревых токов, в котором действует тангенциальное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 1. В результате наложения обоих полей на основе магнитострикционных эффектов, а также в результате возникновения сил Лоренца, как это, в частности, еще будет подробно показано на фиг.2, формируются свободные ультразвуковые волны 6, проникающие внутрь испытуемого объекта 4 перпендикулярно технической поверхности 5. Путем самого по себе известного измерения времени прохождения прямых и отраженных ультразвуковых волн, поступающих на техническую поверхность 5 в соответствии с принципом действия ультразвукового преобразователя, помимо всего прочего, может быть определена толщина стенки испытуемого объекта 4. Альтернативные примеры осуществления изобретения в соответствии с фиг.1а-с демонстрируют вариабельность, с которой по меньшей мере одна катушка 2 вихревых токов может быть установлена на испытуемом объекте 4 относительно постоянного магнита 1. В случае установки в соответствии с фиг.1b, катушка 2 вихревых токов располагается на поверхности испытуемого объекта 4, противоположной постоянному магниту 1. В этом случае необходимо добиваться того, чтобы тангенциальное магнитное поле, наведенное постоянным магнитом 1 в испытуемом объекте 4, действовало по всей его толщине. В примере выполнения изобретения в соответствии с фиг.1 испытуемый объект 4 располагается между обоими магнитными полюсами N, S, так что тангенциальное магнитное поле создается по всей длине испытуемого объекта 4.

Чтобы обследовать или измерить испытуемые объекты 4 большой площади, в соответствии с примерами выполнения изобретения на фиг. 1d-е следует соответствующим образом использовать несколько катушек 2 вихревых токов.

На фиг.1f схематически изображен вид сверху электромагнитного ультразвукового преобразователя, например, в соответствии с фиг.1а и показано, что катушка 2 вихревых токов, независимо от расположения магнита, перемещается вдоль или поперек силовых линий тангенциального магнитного поля, протянувшихся от северного до южного полюса. При необходимости, если имеют место искривления поверхности или неровности, обусловленные, например, усилением сварного шва, выступающей перекаткой, коррозией, загрязнениями или другими неровностями, между катушкой 2 вихревых токов и испытуемым объектом 4 может быть соответствующим образом установлен или варьироваться воздушный зазор.

Для генерации свободных ультразвуковых волн внутри испытуемого объекта 4, направление распространения которых, в основном, сориентировано перпендикулярно технической поверхности, необходимы определенные меры, описанные со ссылкой на фиг.2. В примерах осуществления изобретения согласно фиг.2а и b соответственно предусмотрен U-образный постоянный магнит для создания постоянного во времени тангенциального магнитного поля B_t внутри испытуемого объекта 4. Далее предполагается, что катушка 2 вихревых токов состоит из множества параллельных электрических проводов, по которым протекает переменный ток, каждый раз в одном направлении.

В варианте по фиг.2а, предполагается, что через электрические провода 7 катушки 2 вихревых токов проходит электрический ток, выходящий из плоскости чертежа, в одном направлении. При прохождении тока наводится переменное магнитное поле B_ws, которое в области испытуемого объекта 4 накладывается на тангенциальное магнитное поле B_t. В этом случае по меньшей мере в области переменного магнитного поля B_ws, наведенного катушкой 2 вихревых токов внутри испытуемого объекта 4, действует результирующее магнитное поле В, для которого В=B_t+B_ws.

В ситуации, изображенной на фиг.2а внизу, через электрические провода 7 катушки 2 вихревых токов проходит ток, направленный в плоскость чертежа, в одном направлении. В результате с учетом вышеприведенных соображений происходит вычитание переменного магнитного поля B_ws из постоянного во времени тангенциального магнитного поля B_t. Результирующее магнитное поле в области переменного магнитного поля B_ws, наведенного катушкой 2 вихревых токов, принимает таким образом следующий вид: В=B_t-B_ws.

Под действием изменяющегося во времени результирующего магнитного поля В в результате магнитострикционного эффекта возникают ультразвуковые волны, направляемые в испытуемый объект 4 в виде поперечных волн, прерпендикулярных технической поверхности 5 последнего.

Дополнительно к этому или в качестве альтернативы формированию ультразвуковых волн на основе магнитострикционного эффекта ультразвуковые волны генерируются также силами Лоренца, действующими внутри испытуемого объекта 4, хотя этот эффект у ферромагнитных материалов выражен значительно слабее по сравнению с магнитострикцией. В частности, генерирование ультразвуковых волн в виде продольных волн, основывающееся на силах Лоренца, годится для неферромагнитных материалов. Соответствующий механизм возбуждения представлен на фиг.2b. На фиг.2b вверху показано, что через электрические провода 7 катушки 2 вихревых токов проходит однонаправленный ток, входящий в плоскость чертежа. В результате прохождения этого тока внутри испытуемого объекта 4 наводятся вихревые токи, которые с образованием сил Лоренца F_L взаимодействуют с тангенциальным магнитным полем B_t и в конкретном описываемом примере направлены в испытуемый объект 4. Если направление прохождения тока по электрическим проводам 7 сориентировано в противоположную сторону, как это показано в конкретном примере на фиг.2b внизу, то силы Лоренца F_L возникают в направлении, перпендикулярном технической поверхности 5. Очевидно, что знакопеременные силы Лоренца F_L, каждый раз изменяющие направление своего действия на противоположное в зависимости от направления переменного тока, способны формировать продольные ультразвуковые волны в направлении распространения, перпендикулярном технической поверхности.

Вышеприведенные механизмы возбуждения свободных ультразвуковых волн внутри испытуемого объекта 4 показывают, что необходимо использовать специальные конфигурации вихревых катушек, которые в ограниченном пространстве внутри испытуемого объекта 4 должны создавать большую плотность тока предпочтительного направления, сориентированного, в основном, перпендикулярно тангенциальному магнитному полю. На фиг.3 и 4 изображены альтернативные формы выполнения таких катушек вихревых токов.

На фиг.3 изображена двухмерная катушка вихревых токов, предусматривающая конфигурацию проводов наподобие крыльев бабочки. Она состоит из двух одинаковых секций проводов 8,9, которые расположены рядом таким образом, что один из прямоугольных участков каждой из обеих секциий проводов, выполненных в виде прямоугольных катушек, располагается в непосредственной близости от такого же участка другой секции, которые соответственно обтекаются однонаправленными переменными токами (см. область, обведенную пунктирной линией, а также направления стрелок, указывающих соответствующие направления токов). Область 10, обведенная пунктиром, является так называемой рабочей зоной, в которой электрические токи участков проводов, по которым они протекают, постоянно сориентированы в одном направлении. Тем самым плотность вихревых токов в испытуемом объекте 4 под рабочей зоной 10 оказывается значительно выше, чем в других областях, так что в результате этого перепада ультразвуковые волны в этом месте, то есть в этой области, генерируются наилучшим образом.

На фиг.4а и b изображена следующая альтернативная трехмерная катушка 2 вихревых токов для возбуждения свободных ультразвуковых волн. На фиг.4а показано, что электрический провод, образующий катушку 2 вихревых токов, намотан на кубический каркас 11 катушки. На фиг.4b изображен в поперечном разрезе выполненный соответствующим образом электромагнитный ультразвуковой преобразователь, у которого кубически намотанная катушка 2 вихревых токов окружена U-образным постоянным магнитом 1. Предполагается, что через электрические провода 7 катушки 2 вихревых токов, непосредственно прилегающие к технической поверхности 5 испытуемого объекта 4, проходит ток одного направления, который в случае, изображенном на фиг.4b, выходит из плоскости чертежа. Ясно, что такая геометрия катушки только с одной стороной обычно трехмерной катушки вихревых токов возбуждает в испытуемом объекте 4 вихревые токи. В приведенном примере осуществления изобретения противоположно направленных вихревых токов, которые могли бы взаимно уничтожаться, внутри испытуемого объекта 4 возникнуть не может как, например, в случае самой по себе известной геометрии прямоугольных катушек.

Что касается изображения на фиг.5, представляющего собой известный электромагнитный ультразвуковой преобразователь, то здесь следует обратиться к представленной выше части описания.

В отношении изображений на фиг.6а, b, с необходимо указать на возможность установки катушек 2 вихревых токов относительно технической поверхности 5 испытуемого объекта 4 и на возможность их возбуждения с регулируемой фазой по так называемому принципу управления «фазового массива».

Изображение упомянутого вначале магнитного устройства 1 опущено по причине его тривиальности. Принцип «фазового массива» основывается на возбуждении ультразвукового преобразователя, состоящего из нескольких элементов, с регулируемой фазой. Так, например, управляя звуковым полем, можно качать или фокуссировать звуковой пучок, излучаемый совокупностью катушек 2 вихревых токов. В случае «качательного» отключения поля ультрамагнитных волн в соответствии с фиг.6а отдельные катушки 2 вихревых токов должны управляться с линейной задержкой по времени. В случае фокусировки в соответствии с изображением на фиг.6b отдельные катушки вихревых токов следует возбуждать в соответствии с параболическим законом задержки. Оба вышеупомянутых принципа возбуждения согласно изображению на фиг.6с соответствуют звуковому полю по принципу Гюйгенса.

На фиг.7 и 8 показаны случаи практического применения устройства для контроля материалов согласно изобретению, в частности для измерения толщины стенок материала. В обоих случаях речь идет об обследовании труб, например, магистральных трубопроводов. Для этого контрольные устройства в соответствии с фиг.7 и 8 следует комбинировать с соответствующей двигательной кинематикой, например с так называемой вставкой, с тем, чтобы обеспечить продвижение вдоль трубы.

В примере осуществления изобретения согласно фиг.7 в целях возможно более полного охвата большой площади стенки трубы между двумя магнитными полюсами N, S устанавливается множество отдельных катушек 2 вихревых токов, предпочтительно в шахматном порядке. Магнитные полюса N, S могут устанавливаться рядом в направлении оси трубы 12 или по окружности вокруг оси трубы (см. изображение на фиг.7 в поперечном разрезе).

На фиг.8 магнитные полюса N, S выполнены в виде колец, соединенных между собой общей осью А. Исполнение магнитных полюсов N,S в форме колец или дисков соответствующим образом подгоняется под внутреннюю геометрию обследуемой трубы 12. Во избежание, с одной стороны, заклинивания между магнитным устройством и внутренней стенкой трубы, а, с другой, в целях очистки по краям окружности магнитных полюсов N, S предпочтительно устанавливаются щетки. Между обоими кольцеобразно установленными магнитными полюсами N, S предусматривается множество катушек 2 вихревых токов, расположенных по краю окружности дискового устройства 14. Дисковое устройство 14 жестко соединено с общей осью А магнитов, соединяющей оба магнитных полюса N, S. Преобразовательное устройство, изображенное на фиг.8, способно полностью охватить участок трубы по ее внутренней окружности в осевом направлении.

Таким образом, вышеописанному электромагнитному преобразователю согласно изобретению удается соединить в себе следующие преимущества.

Обычная конструкция электромагнитного ультразвукового преобразователя с подмагничиванием непосредственно в области катушек вихревых токов в соответствии с изобретением заменяется установкой, в которой с помощью тангенциального магнитного поля намагничивается значительно больший участок испытуемого объекта. Расстояние между магнитными полюсами значительно превышает размеры катушек вихревых токов.

В случае такого рода намагничивания при перемещении магнитной системы по испытуемому объекту перемагничиваются только те участки испытуемого объекта, которые расположены непосредственно под полюсами. Участки, расположенные между полюсами, намагничиваются почти одинаково или однородно путем создания тангенциального магнитного поля.

Использованы могут быть одна или несколько катушек вихревых токов. Катушки вихревых токов могут быть установлены в любых местах намагничиваемого участка испытуемого объекта и в любой конфигурации. Использование нескольких катушек вихревых токов так называемых «массивов катушек» является предпочтительным при контроле крупных объектов. Таким образом может быть достигнута высокая скорость контроля без больших затрат времени на сканирование испытуемого объекта.

В результате использования намагничивающей установки для нескольких катушек вихревых токов достигаются существенная экономия постоянных магнитов, а также упрощение конструкции датчика электромагнитного ультразвукового преобразователя.

В результате возбуждения нескольких катушек вихревых токов с регулируемой фазой ультразвуковые волны могут распространяться под выбранными углами, благодаря чему с помощью соответствующих регулирующих механизмов становится возможным обнаружение дефектов в виде трещин.

Нагрузка на катушку вихревых токов за счет магнитных сил притяжения, вызываемых взаимодействием сил между магнитом и испытуемым объектом, отпадает полностью. Благодаря этому износ щупа уменьшается, а срок службы электромагнитного ультразвукового преобразователя увеличивается.

Жесткая механическая связь магнита с катушкой вихревых токов может стать излишней. Катушка вихревых токов может произвольно перемещаться над поверхностью испытуемого объекта в пределах намагничиваемого участка. В частности, катушку вихревых токов можно перемещать независимо от профиля поверхности испытуемого объекта и приспосабливать ее к неровностям, как-то: закруглениям, сварным швам и подобному.

Перечень позиций

1 - Магнит

2 - Катушка вихревых токов

3 - Электромагнитный ультразвуковой преобразователь (EMUS)

4 - Испытуемый объект

5 - Техническая поверхность

6 - Свободные ультразвуковые волны

7 - Электрический провод

8, 9 - Секция проводов

10 - Рабочая зона

11 - Кубическая геометрия

12 - Труба

13 - Щетки

14 - Дисковое устройство

Использование: для акустического контроля испытуемого объекта. Сущность: заключается в том, что постоянный магнит или электромагнит имеет U-образное тело магнита, магнитные полюса которого своими плоскостями прилегают к технической поверхности и который подобно мосту окружает область технической поверхности, предназначенную для размещения на стороне испытуемого объекта катушки вихревых токов, постоянный магнит создает в испытуемом объекте тангенциальное магнитное поле, направленное параллельно технической поверхности, а катушка вихревых токов имеет такую геометрию, благодаря которой создается пространственно ограниченная область, в которой внутри испытуемого объекта возникает результирующее поле вихревых токов с повышенной по сравнению с другими окружающими пространственными областями плотностью вихревых токов, а также с одинаковым направлением этих токов, при этом направление вихревых токов в поле, наведенном в испытуемом объекте, в области повышенной плотности вихревых токов направлено перпендикулярно направлению магнитных силовых линий тангенциального магнитного поля, причем катушка вихревых токов выполнена в виде трехмерного каркаса с реальным или виртуальным сердечником, на реальную или виртуальную поверхность которого намотан электрический провод с одинаковым направлением намотки. Технический результат: обеспечение значительного снижения или отсутствия износа катушки вихревых токов при контроле образца по всей его толщине, а также обеспечение возможности использования катушки вихревых токов, в которой вихревой ток наводится с повышенной плотностью в одинаковом направлении с тем, чтобы внутри испытуемого объекта было значительно уменьшено или отсутствовало явление взаимной компенсации ударных волн. 5 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для контроля материала испытуемого объекта (4), содержащего по меньшей мере электропроводящие и ферромагнитные компоненты и располагающего по меньшей мере одной технической поверхностью (5), содержащее по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь (EMUS), с постоянным магнитом или электромагнитом (1), по меньшей мере с двумя магнитными полюсами (N, S) различной магнитной полярности, обращенными в сторону технической поверхности (5), и с по меньшей мере одной катушкой (2) вихревых токов, установленной в проекции на техническую поверхность (5) между обоими магнитными полюсами (N, S) в косвенной или непосредственной связи с технической поверхностью, отличающееся тем, что постоянный магнит или электромагнит (1) имеет U-образное тело магнита, магнитные полюса (N, S) которого своими плоскостями прилегают к технической поверхности (5) и который подобно мосту окружает область технической поверхности (5), предназначенную для размещения на обращенной или противоположной по отношению к телу магнита стороне испытуемого объекта по меньшей мере одной катушки (2) вихревых токов, при этом постоянный магнит или электромагнит (1) по меньшей мере локально создает в испытуемом объекте (4) тангенциальное магнитное поле, направленное параллельно технической поверхности (5), причем по меньшей мере одна катушка (2) вихревых токов имеет такую геометрию, благодаря которой создается пространственно ограниченная область, в которой внутри испытуемого объекта (4) возникает результирующее поле вихревых токов с повышенной по сравнению с другими окружающими пространственными областями плотностью вихревых токов, а также с одинаковым направлением этих токов, при этом направление вихревых токов в поле, наведенном в испытуемом объекте (4), в области повышенной плотности вихревых токов направлено перпендикулярно направлению магнитных силовых линий тангенциального магнитного поля, при этом катушка (2) вихревых токов выполнена в виде трехмерного каркаса с реальным или виртуальным сердечником, на реальную или виртуальную поверхность которого намотан электрический провод (7) с одинаковым направлением намотки, при этом сердечник трехмерного каркаса (11) имеет участок поверхности, прилегающий к технической поверхности (5), на котором провод (7) имеет множество параллельных между собой секций проводов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере одна катушка (2) вихревых токов предусматривает конфигурацию электрических проводов, снабжаемых переменным током, которая по крайней мере местами или посекционно имеет по меньшей мере два, предпочтительно, множество, в основном, параллельных между собой электрических проводов (7), обтекаемых в одном направлении переменным током.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что постоянный магнит или электромагнит (1) между магнитными полюсами (N, S) внутри испытуемого объекта (4) создает тангенциальное магнитное поле (B_t), ориентированное в основном параллельно технической поверхности (5), при этом, в основном, параллельные между собой провода (7) расположены перпендикулярно тангенциальному магнитному полю (B_t) и при протекании по ним переменного тока формируют внутри испытуемого объекта (4) переменное магнитное поле (B_WS), так что внутри испытуемого объекта (4) результирующее магнитное поле В имеет вид: B=B_t±B_WS.

4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что постоянный магнит или электромагнит (1) между магнитными полюсами (N, S) создает внутри испытуемого объекта (4) тангенциальное магнитное поле (B_t), ориентированное в основном параллельно технической поверхности (5), при этом, в основном, параллельные между собой провода (7) расположены перпендикулярно тангенциальному магнитному полю (B_t) и при протекании по ним переменного тока формируют внутри испытуемого объекта (4) вихревые токи, под действием которых в испытуемом объекте (4) в области вихревых токов генерируются силы Лоренца (F_L), направленные перпендикулярно технической поверхности (5), в результате чего возникают продольные ультразвуковые волны с характеристикой излучения, направленной перпендикулярно технической поверхности (5).

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере одна катушка (2) вихревых токов находится в эффективной механической связи с постоянным магнитом или электромагнитом (1), при этом катушка (2) вихревых токов расположена над технической поверхностью (5) без контакта с ней или установлена на этой технической поверхности (5) по существу без усилия.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере одна катушка (2) вихревых токов, по отношению к технической поверхности (5) предпочтительно установлена в качестве блока с ручным управлением, независимо от постоянного магнита или электромагнита (1).

7. Устройство для контроля материала испытуемого объекта (4), содержащего по меньшей мере электропроводящие и ферромагнитные компоненты и располагающего по меньшей мере одной технической поверхностью (5), содержащее по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь (EMUS), с постоянным магнитом или электромагнитом (1), по меньшей мере с двумя магнитными полюсами (N, S) различной магнитной полярности, обращенными в сторону технической поверхности (5), и с по меньшей мере одной катушкой (2) вихревых токов, установленной в проекции на техническую поверхность (5) между обоими магнитными полюсами (N, S) в косвенной или непосредственной связи с технической поверхностью, отличающееся тем, что по меньшей мере одна катушка (2) вихревых токов выполнена и установлена таким образом, что в результате подачи в упомянутую катушку (2) переменного тока возникают ультразвуковые волны, распространяющиеся внутри испытуемого объекта (4), в основном, перпендикулярно технической поверхности (5), при этом постоянный магнит или электромагнит (1) включает в себя два кольцеобразных тела магнита с кольцевой поверхностью, установленных вдоль оси (А) с интервалом и кольцевая поверхность которых пересекает ось (А) в перпендикулярном направлении, а края окружности соответствуют магнитным полюсам различной магнитной полярности, причем между обоими телами магнита предусмотрена по меньшей мере одна катушка (2) вихревых токов, при этом упомянутые тела магнита по оси (А) соединены между собой как единое целое, при этом катушка (2) вихревых токов выполнена в виде трехмерного каркаса с реальным или виртуальным сердечником, на реальную или виртуальную поверхность которого намотан электрический провод (7) с одинаковым направлением намотки, при этом сердечник трехмерного каркаса (11) имеет участок поверхности, прилегающий к технической поверхности (5), на котором провод (7) имеет множество параллельных между собой секций проводов.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что по меньшей мере одна катушка (2) вихревых токов предусматривает конфигурацию электрических проводов, снабжаемых переменным током, которая по крайней мере местами или посекционно имеет по меньшей мере два, предпочтительно, множество, в основном, параллельных между собой электрических проводов (7), обтекаемых в одном направлении переменным током.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что постоянный магнит или электромагнит (1) между магнитными полюсами (N, S) внутри испытуемого объекта (4) создает тангенциальное магнитное поле (B_t), ориентированное в основном параллельно технической поверхности (5), при этом, в основном, параллельные между собой провода (7) расположены перпендикулярно тангенциальному магнитному полю (B_t) и при протекании по ним переменного тока формируют внутри испытуемого объекта (4) переменное магнитное поле (B_WS), так что внутри испытуемого объекта (4) результирующее магнитное поле В имеет вид: B=B_t±B_WS.

10. Устройство по п.8 или 9, отличающееся тем, что постоянный магнит или электромагнит (1) между магнитными полюсами (N, S) создает внутри испытуемого объекта (4) тангенциальное магнитное поле (B_t), ориентированное в основном параллельно технической поверхности (5), при этом, в основном, параллельные между собой провода (7) расположены перпендикулярно тангенциальному магнитному полю (B_t) и при протекании по ним переменного тока формируют внутри испытуемого объекта (4) вихревые токи, под действием которых в испытуемом объекте (4) в области вихревых токов генерируются силы Лоренца (F_L), направленные перпендикулярно технической поверхности (5), в результате чего возникают продольные ультразвуковые волны с характеристикой излучения, направленной перпендикулярно технической поверхности (5).

11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что по меньшей мере одна катушка (2) вихревых токов находится в эффективной механической связи с постоянным магнитом или электромагнитом (1), при этом катушка (2) вихревых токов расположена над технической поверхностью (5) без контакта с ней или установлена на этой технической поверхности (5) по существу без усилия.

12. Устройство по п.7, отличающееся тем, что по меньшей мере одна катушка (2) вихревых токов, по отношению к технической поверхности (5) предпочтительно установлена в качестве блока с ручным управлением, независимо от постоянного магнита или электромагнита (1).

13. Устройство по п.7, отличающееся тем, что множество катушек (2) вихревых токов предусмотрено по краю окружности кольцевой или дисковой конфигурации (14), который отстоит от оси (А) на равном или меньшем расстоянии, чем край окружности кольцевых тел магнита.

14. Применение устройства по любому из пп.1-6 или 7-13, для измерения толщины испытуемого объекта.

15. Применение по п.14, отличающееся тем, что измерение толщины осуществляется измерением прямого и отраженного сигналов, когда ультразвуковые волны генерируются в виде импульса в испытуемом объекте (4) перпендикулярно технической поверхности (5) и отражаются от противоположной поверхности, причем проводят измерение времени прохождения, при котором учитываются моменты генерации и приема ультразвуковых волн.

16. Применение устройства по любому из пп.1-6 или 7-13 для контроля материалов и/или измерения толщины у магистральных трубопроводов или у железнодорожных колес.

17. Способ контроля материала испытуемого объекта (4), содержащего по меньшей мере электропроводящие и ферромагнитные компоненты, посредством генерирования электромагнитных ультразвуковых волн внутри испытуемого объекта (4), располагающего технической поверхностью (5), в котором для контроля материала испытуемого объекта используют устройство по любому из пп.1-6 или 7-13, при этом осуществляют следующие этапы:
создание магнитного поля B_t внутри испытуемого объекта (4), при этом магнитные силовые линии по меньшей мере частично направлены параллельно технической поверхности (5) и формирования тангенциального магнитного поля B_t,
снабжение катушки (2) вихревых токов переменным током для наведения переменного магнитного поля (B_WS) в испытуемом объекте (4), которое вступает во взаимодействие с тангенциальным магнитным полем B_t, в результате чего результирующее поле описывается как
B=B_t±B_WS,
формирование в результате магнитострикции и/или действия возникающих внутри испытуемого объекта (4) сил Лоренца свободных ультразвуковых волн (6), распространяющихся в испытуемом объекте (4) перпендикулярно технической поверхности (5),
учет времени прохождения ультразвуковых волн, свободно распространяющихся внутри испытуемого объекта (4), которые отражаются внутри него и возвращаются к месту своего возникновения, а также
анализ учтенного времени прохождения для контроля материалов.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что силовые линии переменного магнитного поля (B_Ws) направлены по отношению к тангенциальному магнитному полю (B_t) в одну или в противоположные стороны.

19. Способ по п.17 или 18, отличающийся тем, что по меньшей мере одну катушку (2) вихревых токов, снабжаемую переменным током, устанавливают относительно технической поверхности (5) для возбуждения в испытуемом объекте (4) вихревых токов таким образом, чтобы возбужденные вихревые токи во взаимодействии с тангенциальным магнитным полем (B_t) генерировали внутри испытуемого объекта (4) силы Лоренца (F_L), которые возбуждают в испытуемом объекте (4) свободные продольные ультразвуковые волны (6) с характеристикой распространения, направленной перпендикулярно технической поверхности (5) испытуемого объекта (4).

20. Способ по п.17, отличающийся тем, что измеряют толщину испытуемого объекта.

21. Способ по п.17, отличающийся тем, что измерение толщины осуществляется измерением прямого и отраженного сигналов, когда ультразвуковые волны генерируются в виде импульса в испытуемом объекте (4) перпендикулярно технической поверхности (5) и отражаются от противоположной поверхности, причем проводят измерение времени прохождения, при котором учитывают моменты генерации и приема ультразвуковых волн.

22. Способ по п.17, отличающийся тем, что осуществляют контроль материалов и/или измерение толщины у магистральных трубопроводов или у железнодорожных колес.